西门子小型伺服驱动系统应用指南

运动控制，广泛地应用在机床、包装、印刷、电子装配、机器人、生产线等生产制造领域。智能制造和机器人都离不开运动控制，其中伺服驱动系统是一个关键环节，负责准确、高效地将控制指令转换为机械运动。简单地说，就是对机械运动部件的位置、速度、加速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。
记得 10年前，国内的运动控制行业主要使用脉冲模拟量控制单轴伺服驱动系统，同时市场上也只有很少的运动控制品牌可提供像西门子公司 PROFINET/PROFIBUS 这样的基于工业总线的运动控制解决方案。而如今，总线型伺服驱动系统已经成为各个厂商的标配了，这一方面是由于生产制造工厂对设备自动化、智能化和生产灵活性的要求越来越高，所以要求设备中控制系统的轴数越来越多，不同设备之间的交互也变得更加频繁，信息自动化管理的要求也越来越高，而总线很好地解决了这个问题；另一方面得益于一些大厂商的伺服驱动产品的本土化策略而形成的成本优化。西门子公司在 2016年推出的 SINAMICS V90总线型伺服驱动系统就是其中的佼佼者。
伺服驱动系统和控制器组成了运动控制系统，伺服驱动系统和控制器的相互配合，完成各种复杂的动作，因此只有从整体和系统地去学习伺服驱动系统，尤其对于总线型伺服驱动系统，才能更好地理解和用好伺服驱动系统。未来的伺服驱动系统将朝着提升其性能、更方便系统集成、直接驱动电动机等方向发展。 
. 进一步提升伺服驱动系统自身性能，如响应特性、自动优化、尺寸（功率密度）等。 
. 基于以太网的总线结构使伺服驱动系统和运动控制器之间可靠地传递大量的控制和状态数据。 
. 伺服驱动系统和运动控制器的系统集成可以根据需要提供由简单运动到复杂运动的全系列解决方案，如速度控制、位置控制、电子齿轮同步控制、电子凸轮同步控制、插补轮廓控制和分布式同步控制等。 
. 机械传动系统与伺服驱动系统将进一步融合，以提升系统的动态特性，如直线电动机、力矩电动机等。 
. 数字孪生，即将运动控制系统在设计、调试、使用和维护等各个阶段的数据整合在一个软件平台，该软件平台可以模拟仿真系统运动轨迹并对其进行优化。
西门子公司是全球知名的工业自动化公司，运动控制更是西门子公司的传统强项。特别是近年来西门子公司快速融入中国的发展中，在中国建立研发基地，将全球化的产品管理职能设在中国，在中国形成了完整的价值链。本书中的 SINAMICS V90伺服驱动系统就是其中的代表，西门子公司采用全球统一的设计标准和质量标准，秉承中国定义、中国研发、中国制造、全球销售的策略，实现了从中国制造到中国创造的转变。标有“中国制造”的伺服驱动系统及其控制产品，以及用这些产品装备的机械设备，不仅服务于中国的经济发展，而且使中国的机器制造水平进一步提高，与国际接轨，远销全球。
本书作者为西门子公司多年奋战在运动控制领域一线的工程技术人员，拥有丰富的理论基础和现场调试实践经验。因此，本书可以作为现场工程技术的指导书，也可以作为在伺服驱动系统和运动控制领域的进阶书，亦可作为工程院校及培训学校的参考书目。
西门子 SINAMICS V90伺服驱动系统　　
全球产品经理　　朱亮　　 2020年 3月　　

随着机械装备自动化水平的不断提高，特别是消费电子、食品饮料、医疗装备、印刷包装、纺织等行业的自动化生产线的不断普及，对伺服驱动系统的需求越来越多，对性能和功能的要求也越来越高，对小型伺服驱动系统提出了更高的期望。西门子公司始终以领先的电气化、自动化和数字化产品为客户提供解决方案和服务，提供全系列伺服驱动系统，如 SINAMICS V90伺服驱动系统、 SINAMICS S210伺服驱动系统和 SIMATIC MICRO-DRIVE伺服驱动系统，其中 SINAMICS V90伺服驱动系统是市场上应用*为广泛的小型伺服驱动系统。
在《运动控制系统应用指南》一书中，已经介绍过运动控制系统中重要组成部分 —伺服驱动系统。本书基于作者多年从事这方面工作的体会，着重地介绍了西门子 SIN-AMICS V90伺服驱动系统的组成和功能及应用方法和技巧。本书在内容的编写上力求实用和通俗易懂，应用实际案例针对不同的功能做了详尽解析，以采用不同的方法去实现同一目标，既为相关专业人员做了全面的介绍，也提供了丰富的参考依据。
本书第 1章介绍了交流伺服驱动系统的应用及西门子小型伺服驱动系统的组成和分类。第 2章介绍了 SINAMICS V90伺服驱动系统的优点、脉冲型伺服驱动器的硬件接口及其控制和通信功能、总线型伺服驱动器的硬件接口及其控制和通信功能、伺服驱动器的非周期通信、两种重要调试工具的功能及使用方法、伺服驱动器的安全功能应用、伺服驱动系统的制动计算与校核、伺服驱动系统的选型工具。第 3章介绍了运动控制中的电子齿轮同步功能、电子凸轮同步功能、测量输入功能和凸轮输出功能。第 4章介绍了脉冲型伺服驱动器的应用案例，如 SIMATIC S7-200 SMART PLC通过脉冲指令进行伺服驱动器的控制、 SIMATIC S7-1200 PLC与伺服驱动器之间通过 HSP文件进行控制的实例、 SIMATIC PLC与伺服驱动器之间的周期性通信和非周期性通信实例、伺服驱动器的回参考点详解、附加报文类型 750的应用技巧和固定点停止。第 5章介绍了往复定位运动、带测量输入和凸轮输出的基本定位运动、相对电子齿轮同步运动、*电子齿轮同步运动、带测量输入的*电子齿轮同步运动、凸轮同步运动、带凸轮输出的凸轮同步运动。
本书可以作为机械设备制造业中设计、调试、维护等技术人员、生产管理者的参考书籍及培训教材，也可作为各中高职院校和技能培训学校的参考教材。此外，本书也可以作为有志于学习和了解通用机械设备运动控制基本原理和西门子运动控制产品的读者朋友、行业伙伴们的参考用书，相信本书一定会对您有帮助！
本书由游辉胜编著，并由西门子（中国）有限公司的李澄和南瑞集团有限公司的薛孝琴负责主审与校对。感谢西门子 SINAMICS V90伺服驱动系统全球产品经理朱亮先生为本书撰写了序，感谢西门子（中国）有限公司王钢先生在本书的编写过程中提出了很多的宝贵意见，感谢西门子数控（南京）有限公司硬件研发专家张军平先生为本书伺服驱动系统的制动计算与校核提供了依据。感谢在本书编写过程中给予大力支持的各位朋友。
由于时间仓促，作者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请有关专家、学者、工程技术人员以及广大读者朋友们多多包涵，并不吝批评指正，谢谢！
西门子（中国）有限公司　　数字化工业集团运动控制部　　通用运动控制全球产品中心　　
总经理　星生智　　 2020年 3月南京

本书主要介绍了SINAMICS V90伺服驱动系统的功能及应用技巧。
本书共分为5章，分别介绍了伺服驱动系统的组成；伺服驱动系统的优点、硬件接口、控制功能、通信原理、调试工具、安全功能、制动校核和选型工具等；电子齿轮、电子凸轮、测量输入和凸轮输出等运动控制功能；脉冲型伺服驱动器的脉冲控制功能及应用案例，总线型伺服驱动器的周期和非周期通信、回参考点详解、巧用附加报文类型和固定点停止功能及应用案例；定位、同步、测量输入和凸轮输出的应用技巧等。
本书可供通用机械设备制造相关的设计、调试、维护等技术及管理人员阅读，也可以作为中高职相关专业和技能培训学校的教学参考用书。

序
前言
第 1章　概论 ···································· 1 
1.1　交流伺服驱动系统 ·······························1 
1.2　西门子交流伺服驱动系统······················1 
1.3　西门子小型伺服驱动系统······················3
第 2章　SINAMICS V90伺服驱动系统 ··· 6 
2.1　SINAMICS V90伺服驱动系统的优点 ·······6 
2.2　SINAMICS V90脉冲型伺服驱动器 ··········9 
2.2.1 SINAMICS V90 PTI伺服驱动器硬件接································9 
2.2.2 SINAMICS V90 PTI伺服驱动器的通用功能 ··································· 12 
2.2.3 SINAMICS V90 PTI伺服驱动器外部脉冲位置控制 ····························· 13 
2.2.4 SINAMICS V90 PTI伺服驱动器内部位置控制 ··································· 17 
2.2.5 SINAMICS V90 PTI伺服驱动器速度控制 ······························· 20 
2.2.6 SINAMICS V90 PTI伺服驱动器转矩控制 ································· 22 
2.2.7 SINAMICS V90 PTI伺服驱动器混合控制 ····························· 22 
2.2.8 SINAMICS V90 PTI伺服驱动器 RS485 通信控制 ·························· 23 
2.3　SINAMICS V90总线型伺服驱动器 ········ 24 
2.3.1 SINAMICS V90 PN伺服驱动器硬件接口 ···························· 24 
2.3.2SINAMICS V90 PN伺服驱动器 PROFINET通信 ·························· 26 
2.3.3SINAMICS V90 PN伺服驱动器速度控制 ·························· 31 
2.3.4 SINAMICS V90 PN伺服驱动器基本定位器控制 ··································· 32 
2.4　SINAMICS V90伺服驱动器非周期通信 ·· 37 
2.5　SINAMICS V90伺服驱动器调试工具 ····· 40 
2.5.1　V-ASSISTANT调试软件 ················ 41 
2.5.2　TIA Portal调试软件 ······················ 50 
2.6　SINAMICS V90伺服驱动器的安全功能 ·· 62 
2.6.1　 SINAMICS V90伺服驱动器与 SIMATIC S7-1200F PLC安全功能的连接 ··················· 62 
2.6.2　 SINAMICS V90伺服驱动器与 ET200S安全功能的连接 ················ 62 
2.6.3　 SINAMICS V90伺服驱动器与 SIRIUS 3SK1安全继电器安全功能的连接 ········63 
2.6.4　 SINAMICS V90伺服驱动器与急停开关安全功能的连接 ····················· 64 
2.6.5　多伺服驱动器与急停开关安全功能的连接 ·················· 64 
2.7　 SINAMICS V90 伺服驱动系统的制动 ····· 64 
2.7.1　 SINAMICS V90伺服驱动系统的制动方法 ··········· 65 
2.7.2　制动过程的计算 ·························· 66 
2.7.3　制动电阻的选择原则 ····················· 68 
2.7.4　制动单元的核算 ·························· 69 
2.7.5　驱动器*制动能力的估算 ············ 71 
2.8　 SINAMICS V90伺服驱动系统的选型工具 ····················· 72第 
3章　运动控制功能 ······················· 81 
3.1　SIMATIC S7-1500 系列 PLC ················· 81 
3.2　电子齿轮同步 ·································· 82
3.2.1　电子齿轮运动控制向导 ·················· 82 
3.2.2　电子齿轮运动控制指令 ·················· 84 
3.3　电子凸轮同步 ······················ 88 
3.3.1　电子凸轮运动控制向导 ·················· 88 
3.3.2　电子凸轮运动控制指令 ·················· 91 
3.4　测量输入 ·························· 92 
3.4.1　测量输入运动控制向导 ·················· 92 
3.4.2　测量输入运动控制指令 ·················· 95 
3.5　凸轮输出 ········································ 98 
3.5.1　凸轮输出运动控制向导 ·················· 99 
3.5.2　凸轮输出运动控制指令 ·················102
第 4章　 SINAMICS V90伺服驱动器的应用技巧 ·················· 104 
4.1 SIMATIC S7-200 SMART脉冲输出指令控制 SINAMICS V90 PTI伺服驱动器 ······104 
4.2 基于 HSP的 SIMATIC S7-1200 PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的通信控制 ············108 
4.2.1 SIMATIC S7-1200 PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的硬件组态 ······108 
4.2.2　基于报文类型 1的 SIMATIC S7-1200 PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的通信控制 ·············· 112 
4.2.3　基于报文类型 3的 SIMATIC S7-1200 PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的通信控制 ············· 114 
4.2.4　基于报文类型 102的 SIMATIC S7-1200 PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的通信控制 ········· 119 
4.3　 SIMATIC PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的周期性通信 ···············123 
4.3.1　DPRD_DAT指令 ···················123 
4.3.2　DPWR_DAT指令 ····················124 
4.3.3 基于报文类型 111的 SIMATIC PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的通信控制··············124 
4.3.4 基于基本定位器工艺对象的 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的通信控制 ······133 
4.3.5　基于报文类型 1的 SIMATIC S7-200 SMART PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的通信控制 ··········137 
4.4 SIMATIC PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的非周期通信 ·························142 
4.4.1 基于 WRREC和 RDREC指令的 SIMATIC S7-1200 PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器间的非周期通信 ··142 
4.4.2 基于 SinaPara的 SIMATIC S7-1200 PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的非周期通信 ···············149 
4.4.3 基于 SinaParaS的 SIMATIC S7-1200 PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的非周期通信 ··············154 
4.4.4 基于 SINA_PARA_S的 SIMATIC S7-200 SMART PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的非周期通信 ············159 
4.5 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的回参考点 ···················168 
4.5.1　设置直接回参考点的方式 ··············169 
4.5.2　参考点挡块和编码器零脉冲方式 ·····169 
4.5.3　参考点挡块和编码器零脉冲硬限位反转方式 ··············171 
4.5.4　编码器零脉冲方式·······················173 
4.5.5　编码器零脉冲硬限位反转方式 ········175 
4.5.6　参考点挡块引入伺服驱动器的参考点挡块和编码器零脉冲方式 ···········176 
4.5.7　参考点挡块引入伺服驱动器的参考点挡块和编码器零脉冲硬限位反转方 ···················177 
4.5.8　硬限位开关作为参考点挡块和编码器零脉冲方式 ········179 
4.5.9　仅寻参考点挡块的方式 ·················182 
4.5.10　仅寻参考点挡块的硬限位反转方式 ··183 
4.5.11　回参考点的应用技巧 ··················185 
4.6　巧用附加报文类型 750 ······················186 
4.6.1　基于报文类型 1的 SIMATIC SMART 200 PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的附加报文应用 ·······187 
4.6.2　基于报文类型 3的 SIMATIC S7-1500 PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的附加报文应用········192 
4.6.3　基于报文类型 105的 SIMATIC S7-1500 PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的直接转矩控制 ············201 
4.6.4　基于报文类型 102的 SIMATIC S7-1200 PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的直接转矩控制 ···········206 
4.6.5　基于报文类型 111的 SIMATIC PLC与 SINAMICS V90 PN伺服驱动器的参考点坐标应用 ············214 
4.7　固定点停止 ····································215 
4.7.1　基于 SINAMICS V90 PN伺服驱动器基本定位器模式下的固定点停止 ·····215 
4.7.2　基于 SINAMICS V90 PN伺服驱动器速度模式下的固定点停止 ··············218
第 5章　运动控制系统的应用技巧 ······ 222 
5.1　运动控制系统的项目组态···················222 
5.2　往复定位运动 ·································231 
5.3　带测量输入和凸轮输出的基本定位运动 ···237 
5.4　相对电子齿轮同步运动 ······················243 
5.5　*电子齿轮同步运动 ······················246 
5.6　带测量输入的*电子齿轮同步运动 ····250 
5.7　凸轮同步运动 ·································254 
5.8　带凸轮输出的凸轮同步运动················260
参考文献 ······································· 263